解析EDA行業(yè)的前世今生

EDA是芯片設計最上游、壁壘最高的部分，也是國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)幾乎最薄弱的環(huán)節(jié)。

2020，滄海橫流，疫病橫生，偏偏此時國際關系劍拔弩張。以中美摩擦為劇，一時間火花四濺，駭浪驚濤。

從中興通信事件為始到“516”華為全面進入實體清單，此間已二年有余。

尤其以半導體為首的科技產(chǎn)業(yè)被推入風口浪尖，甚至一個企業(yè)，便要承受一個國家的命運和擔當。

作為產(chǎn)程密集度、工業(yè)自動化程度、技術密集度最高，代表人類最頂級智慧結(jié)晶的行業(yè)，半導體產(chǎn)業(yè)的低國產(chǎn)化、低自給化和產(chǎn)業(yè)中低端化，成為此次掣肘中國的利劍。

電子設計自動化—— Electronic Design Automation，簡稱EDA，是芯片設計最上游、壁壘最高的部分，卻是國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)幾乎最薄弱的環(huán)節(jié)，被強行推向舞臺中央。

作為產(chǎn)業(yè)中樞和設計之母，EDA承載起中國半導體產(chǎn)業(yè)生態(tài)的塑造之路，其產(chǎn)業(yè)位置之重要，見微知著：

以設計自動化為題，EDA以計算機輔助設計（CAD）為橋梁，嫁接超大規(guī)模集成電路（VLSI）設計中所涉及的功能設計、綜合、驗證、物理結(jié)構(gòu)（布線、布局和版圖）等流程的全制；

以芯片設計生態(tài)為題，EDA發(fā)展的產(chǎn)業(yè)生態(tài)基礎，嫁接了代工廠對于產(chǎn)業(yè)上下游的理解，培植高端芯片設計公司，是形成整套半導體系統(tǒng)生態(tài)的中樞神經(jīng)；

以半導體生態(tài)為題，EDA作為半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展杠桿，將會孕育整個半導體后摩爾時代的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑。以摩爾定律為代表的物理極限被打破，使得配套的設計工具和軟件服務，決定了產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展路徑和天花板。

01?歷史觀瀾：EDA的前世今生

集成電路作為整個半導體產(chǎn)業(yè)的核心，其技術設計的復雜性，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的專業(yè)化，使得一套完整的EDA軟件成為剛需，較之前有限的晶體管布局和布線難度，現(xiàn)有集成電路設計之繁雜，規(guī)模之巨大，均不是單純?nèi)肆Ψ秶芨采w。

EDA出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)設計人員必須通過手工完成設計和布線等基礎工作，彼時前沿的工程師，不過是使用集合方法制造用于電路光繪的專用膠帶（Photo plotter）便可滿足需求。

EDA作為高階的電子設計自動化，并未在彼時呼之欲出，取決于傳統(tǒng)集成電路的復雜程度仍較原始，半導體工業(yè)仍延續(xù)粗放生產(chǎn)。

隨著數(shù)據(jù)的快速擴張導致計算量的極限增長，手工設計愈發(fā)吃力。為了配合工程師的需求，自動完成掩膜草圖開始出現(xiàn)，提供電路布局和布線的研發(fā)工具雨后春筍般出現(xiàn)在設計人員的視野中。

真正的突破出現(xiàn)在1980年，加州理工學院教授Carver Mead和全錄帕洛阿爾托研究中心的程式設計師Lynn Conway共同發(fā)表了一篇具有劃時代意義的論文《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導論》 （Introduction to VLSI Systems）。

這篇論文將編程語言構(gòu)建芯片設計的新思想推向世界。以此成果編寫的《VLSI系統(tǒng)簡介》成為當時標準的課堂教材，在超過一百所高校里使用。

具體展開，EDA到底在芯片設計中扮演著怎樣的重要角色？

芯片設計分為前端和后端，前端調(diào)節(jié)芯片邏輯，后端完成物理實現(xiàn)。

二者清晰劃分但并不嚴格切分界限，涉及一切工藝相關則統(tǒng)一劃分為后端，前端則對芯片門級網(wǎng)表電路進行邏輯梳理，一則實現(xiàn)對芯片的功能定義，二則為功能實現(xiàn)行為尋找物理路徑，最終形成布局規(guī)劃和邏輯輸出。

芯片設計的過程，就是工程師利用程式碼規(guī)劃芯片功能的過程。而通過EDA工具，工程師得以將程式碼轉(zhuǎn)化成為實際電路設計。

再具體一點：

工程師向EDA提供完整的HDL code（Hardware Description Language，硬件描述語言代碼）；

EDA會根據(jù)邏輯閘設計圖的規(guī)格對該代碼進行修改和調(diào)整，生成功能正確的電路圖；

最后供給后端進行布局模擬和電路制作，形成光罩，然后流片成產(chǎn)品

作為邏輯綜合工具的EDA，不僅為設計的邏輯閘提供意見的修改，其更重要的價值是在SoC（System on Chip，系統(tǒng)級芯片）數(shù)以億計的今天，大幅度地降低了設計試錯成本。

大規(guī)模集成電路的復雜度，已經(jīng)遠超人類設計仿真的控制極限。因此，在動輒流片費用百萬千萬計的今天，任何一家芯片公司都無法承受數(shù)次流片失敗的成本。設計環(huán)節(jié)的絲毫差錯，都可能導致巨大的財務損失。

EDA的出現(xiàn)，至少將此成本縮減超百倍。

隨后，集成電路的布道者們開始大肆宣傳集成電路與承載的人類命運，幾乎和集成電路所能承載的復雜程度直接關聯(lián)。這在當時看起來幾乎荒誕的理論，在40年后的今天一語中的 ——

通過編程語言設計和驗證電路預期行為，并通過邏輯綜合工具軟件得到低抽象級物理設計的研發(fā)途徑，迄今為止仍然是數(shù)字集成電路設計的思想基礎和工程基礎。

在這個基礎之上，EDA的商業(yè)化在上世紀80年代高速發(fā)展：

1981年，日后主宰全球EDA市場的三大巨頭之一Mentor Graphics悄然誕生，日后名聲飛揚的Xpedition、PADS、Mentor EE均誕生于此；

1986年，Gateway提出Verilog，這是迄今為止最流行的高級抽象語言；

同年，三巨頭之二Synopsys誕生于美國加州Mountain View；

1987年，美國國防部資助的VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，超高速集成電路硬件描述語言）問世，將設計實體分為內(nèi)外部分，日后被廣泛應用于機械工程、儀器科學和計算機科學中；

1988年，第三家巨頭Cadence誕生在美國加州San Jose。

產(chǎn)業(yè)規(guī)模的急速擴張和競爭逐步加劇，導致分工模式進一步細化。

EDA猶如達摩克斯的利劍，精確切分原來由IDM （Integrated Device Manufacturer，集約化制造商）主導的半導體產(chǎn)業(yè)生態(tài)，逐步演化成了Fabless（無工廠僅設計） + Foundry（代工廠） + OSAT（Out Sourced Assembly and Testing，封測代工廠）的產(chǎn)業(yè)格局。

后來耳熟能詳?shù)?a target="_blank">IC設計、IC制造和IC封裝，三大核心板塊逐漸形成。

因為EDA，產(chǎn)業(yè)生態(tài)的上中下游，第一次被清晰的展現(xiàn)出來。

“當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。”

——戈登·摩爾（英特爾創(chuàng)始人之一）

摩爾定律作為半導體行業(yè)的金科玉律已運轉(zhuǎn)多年，應驗了無數(shù)半導體發(fā)展的重大時刻，并像圣經(jīng)一般，收斂了整個芯片產(chǎn)業(yè)上下游的發(fā)展和演化規(guī)律，使其達到了實質(zhì)意義上的統(tǒng)一。

而EDA的迭代，數(shù)年來也追隨摩爾定律有序發(fā)展，承載了人類迄今為止超大規(guī)模集成電路的設計，發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化演進。

但凡事終有極限，物理性征的限制，使得摩爾定律大有被替代更新的趨勢。

在2019年人類撬開7nm大門后，傳統(tǒng)EDA支撐下的IC設計遭遇瓶頸，對復雜設計的不斷追求和提升集成電路性能，并縮小尺寸的要求進一步提升。

如何在EDA上追趕并超越摩爾定律，成為人類觸碰下一代超大規(guī)模集成電路的核心要素 —— AI，物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實等技術的不斷更迭，人類對集成電路的要求也越發(fā)提升，對EDA的智能型要求也愈發(fā)提升。

以IT產(chǎn)業(yè)為例，手機和服務器為代表的設備更替周期從2010年全面到來至今年為止，人類社會對智能手機、大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的替代基本結(jié)束。下一代智能終端包括和5G相關的各類硬件及軟件工具將再一次帶來設備更迭的產(chǎn)業(yè)浪潮。

因此，對集成電路的要求、設計復雜度的要求和可靠性的要求將更勝彼時，定制化、高個性化、私有化的要求也會隨著產(chǎn)業(yè)周期的變革愈發(fā)高漲。

EDA工具除了設計，服務能力和智能化程度，必然會進一步劃分EDA市場的終極格局和生態(tài)構(gòu)成。

02?生態(tài)為王：EDA催生的IP生態(tài)

芯片設計所形成的重復使用設計模塊，被稱為我們常聽到的IP（Intellectual Property，知識產(chǎn)權(quán)核）。

一個成功的IP設計往往擁有獨家版權(quán)，并且將成為未來功能化芯片設計改良的母版，被各大公司采購和重復利用，造就了高通、英特爾等巨頭。

并不是每個新的芯片都需要重復設計每個細節(jié)，各家公司可以通過購買成熟可靠的IP方案，在原有的IP基礎上搭建特定的客戶需求和技術方案，從而縮短設計開發(fā)流程，提高可靠性，將芯片的產(chǎn)業(yè)價值和規(guī)模最大化。

作為已經(jīng)存在世間超過50年的傳統(tǒng)型工業(yè)，集成電路工業(yè)已積累了數(shù)以萬計的成熟IP供市場使用，現(xiàn)有的不少SoC廠商通過發(fā)掘市場中成熟的IP進行自我演進，并在功能上精確嫁接客戶需求，縮短整個交付流程：

研發(fā)周期、交付周期和迭代周期同比例得到精簡和優(yōu)化，這個產(chǎn)業(yè)思路逐步擴大到各個SoC廠商成為固定套路，整合和發(fā)掘IP滿足客戶需求并大規(guī)模出貨，成為廠商迅速實現(xiàn)規(guī)?；苫瘍?yōu)勢壁壘的通途。

在串聯(lián)IP商業(yè)價值上，EDA為IP內(nèi)核提供了三種表現(xiàn)形式：

HDL語言形式的加密軟核。設計周期短，投入少且布線靈活，但后續(xù)工序與前序被切斷，性能難以持續(xù)優(yōu)化；

網(wǎng)表形式的固核。通過頭文件或GUI（Graphical User Interface，圖形用戶接口）進行參數(shù)操作，收斂其他電路設計與該內(nèi)核之間的接口；

版圖形式的硬核。從掩膜出發(fā)，針對特定工藝進行功耗和尺寸的優(yōu)化，不提供RTL（Register Transfer Level，寄存器轉(zhuǎn)換級電路），因而更易于實現(xiàn)IP保護。

可以看出，三種特定的表現(xiàn)形式使得IP模塊和芯片設計企業(yè)的研發(fā)體系高度耦合。

作為具備先發(fā)優(yōu)勢的歐美廠家，IP的豐富程度，與SoC企業(yè)的深度耦合經(jīng)驗和歷史，讓雙方的競爭力成為一個密不可分的有效整體。

分立的EDA公司一枝獨秀絕不能支撐整個體系，需要與系統(tǒng)級開發(fā)商深度耦合，系統(tǒng)級開放商對產(chǎn)業(yè)深度理解并挖掘客戶需求，最終反饋到IP設計，再反向傳導至EDA完成閉環(huán)。

不斷的演進和替代，才能形成真正的生態(tài)和競爭模式。

EDA企業(yè)，SoC廠商，IP授權(quán)方深度和長期捆綁，最終決定了EDA產(chǎn)業(yè)贏家通吃的基本局面。新進者無論具備怎樣密集和有效的設計基礎和能力，都很難打破現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)格局。

不過如前面所述，隨著科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)周期迭代，傳統(tǒng)數(shù)字電路IP生產(chǎn)的方式方法，也在悄然發(fā)生改變。頂層架構(gòu)設計和模塊指標的模擬IP，如今已可自動生成和生產(chǎn)。自動IP的生成逐步成熟，使最優(yōu)設計完全可以通過本身有效的數(shù)據(jù)收斂，得到理論上的最優(yōu)解。

2018年，半導體IP市場規(guī)模約為46億美元，而模擬IP自動生成領域，下穿到垂類行業(yè)（如射頻、數(shù)?；旌稀?a target="_blank">處理器等）的話，當前基數(shù)均可忽略不計。

作為新興行業(yè)，自動模擬IP生成工具的優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化，未來將很可能成為EDA新的戰(zhàn)場，跳過SoC形成的原有格局，在新格局上重新競爭，重新劃分江湖。

03?S、C、MG：EDA三座大山

EDA從無到有，并最終成為撬動整個半導體行業(yè)的杠桿和基石，前面提到的三大EDA廠商以江湖盟主的姿態(tài)，霸占產(chǎn)業(yè)山頭。

提EDA，Synopsys就是不可逾越的大山，是EDA世界當之無愧的王者，行業(yè)制定者和領軍人。在EDA的發(fā)展軌跡上，提供整體解決方案即Total solution，并從整體方案往下延展行業(yè)渠道的公司，往往更有競爭力 ——猶如在半導體行業(yè)里掌握分立器件技術的公司比比皆是，但是捏合起來成為整體卻艱難異常。

縱觀美國半導體巨頭發(fā)展簡史，掌握Total solution能力的巨頭，往往是從單一器件和單一能力入手切入市場，通過大規(guī)模的整合并購，完成自我能力的塑造和建設。

以Synopsys為例，34年的發(fā)展歷史上，從幼年期收購Zycad公司的VHDL仿真業(yè)務入手，使得Synopsys一夜間掌握了前后端一體化的EDA能力，如此甜頭在往后的歲月里被不斷復制，加強，逐步衍生出全套的技術解決和工程驗證能力，最終成為一代領軍。

有意思的是，整合并購作為一種典型擴張手段，三大巨頭具有明顯的不同，這和企業(yè)本身的基因高度相關。

Synopsys從誕生初期便立足于為客戶在整體上優(yōu)化設計環(huán)境，核心Knowhow隱藏在產(chǎn)品后不讓客戶直接感知，產(chǎn)品迭代速度和發(fā)展，通過內(nèi)部研發(fā)和交易并購解決。

從Astro、DFT到TetraMAX和Vera等產(chǎn)品來看，Synopsys力圖從產(chǎn)品整體的角度，致力優(yōu)化設計、布局到布線的整體環(huán)境，便于客戶在設計流程的前期更加容易熟悉和感知環(huán)境，確保在時序和測試覆蓋要求同時滿足的情況下，盡可能提升操作體驗，為客戶的設計服務提供更自由的工具和交付空間。

Cadence從誕生的第一天便是高度混合的個體，前身SDA System和ECAD作為EDA江湖最早出現(xiàn)在公眾視野的頂尖公司，擅長領域和對前后端理解有諸多不同，而二者最終于1988年合二為一，將Cadence瞬然保送至全球第一EDA企業(yè)的高度。

從程序方案服務和設計服務，覆蓋從半導體、計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡工程、消費電子及其他各類電子產(chǎn)品的設計，使其覆蓋的產(chǎn)業(yè)和技術遠超同類競爭對手，加上常年近40%的研發(fā)投入和美國國防部的長期支持，使得Cadence在2002年之前，一直處于全球EDA之巔。

Mentor Graphics的核心是EDA軟硬件耦合，對PCB解決方案的設計上，提供EDA和模擬硬件系統(tǒng)。產(chǎn)業(yè)較前兩家有一定差距，沒有提供Total solution的能力，但PCB設計工具方案的完整度，使得該公司仍然穩(wěn)居世界第三。

產(chǎn)業(yè)并購方面，MG自成立至今雖然也有66起并購發(fā)生，但產(chǎn)生行業(yè)影響力的事件并不多，最終在2016年11月以45億美元賣身西門子，成為西門子數(shù)字工廠的一部分。

04?國產(chǎn)替代：圍剿中艱難啟航

伴隨中美對抗走入全新時局，半導體自給率將由主動替換走向被動替換，中國已是全球最大的半導體消費市場，據(jù)預測2020年將達到全球半導體消費總額的60%。

然而作為擁有超過86座光晶圓廠的超極半導體大國，卻不得不面臨國內(nèi)EDA孱弱的現(xiàn)實：

EDA的自給化率卻低于15%；

純EDA國產(chǎn)化率低于5%，今年可能因為SoC工藝迭代而降至3%；

擁有全棧式技術路線，并大規(guī)模投入生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的公司小于5家。

嚴重的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)倒掛，既揭開了中國EDA發(fā)展的現(xiàn)實，也孕育了巨大的國內(nèi)需求和替代機會。風險和機會并存，并將在未來的中國半導體生態(tài)中長期存在 ——

如果說半導體是中美貿(mào)易戰(zhàn)中最被卡脖子的一個問題，那EDA的孱弱則是這個卡脖子問題中最核心之一。

歷史上，EDA從誕生的第一天就進入歐美半導體產(chǎn)業(yè)體系被集中保護，從建國初期的“巴統(tǒng)”禁運（巴黎統(tǒng)籌委員會對中國實行禁運，國外EDA無法進入中國），到1988年打破封鎖的熊貓系統(tǒng)橫空出世，再到1994年巴統(tǒng)禁運取消，全球EDA產(chǎn)品全面進入中國。

國內(nèi)EDA企業(yè)經(jīng)歷了早期探索，還未脫開襁褓卻又迎來國外EDA的豺狼虎豹。隨后市場的凋敝又帶來研發(fā)費用不足和資本投入周轉(zhuǎn)緩慢等連鎖效應，造成了當前中國EDA發(fā)展緩慢，難以與三大巨頭抗衡的局面。

一直到2008年國家核高基的鼓勵扶持，以華大九天為首的中國EDA企業(yè)開始進入市場的主流視野。持續(xù)的技術投入、人才積累、與IP的有效粘連，也讓一批企業(yè)從長尾客戶切入，逐漸站穩(wěn)腳跟。

同時，中國EDA市場的發(fā)展必然與本土半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展息息相關。中國Fabless廠家已經(jīng)占據(jù)全球四分之一的份額，原創(chuàng)IP逐步出現(xiàn)，急需一批提供與IP相關服務工具強粘連的服務商和渠道商。

因此作為承載熊貓系統(tǒng)等核心技術的華大九天，在國內(nèi)被稱為EDA的先行者，也是領先者。

盡管2009年公司才正式宣告成立，但從承載熊貓系統(tǒng)的技術、EDA和IP方面的積累，多次增資和更換股東，尤其大股東從華大集成電路到中國電子的轉(zhuǎn)移，華大九天都擁有了在國內(nèi)問鼎華山的實力和潛力。

從核心產(chǎn)品和已取得的成就上也可以看出：

模擬IC設計的全流程EDA系統(tǒng)國內(nèi)唯一，也是全球四大模擬設計全流程平臺，仿真技術可支持7 nm工藝，出貨量過百億，SKU達到數(shù)百款；

數(shù)字SoC設計優(yōu)化EDA，覆蓋國內(nèi)90%以上企業(yè)，已基本完成國產(chǎn)化替代；

晶圓制造專用工具，掩膜板處理軟件全球第一；

平板設計EDA全球唯一，國內(nèi)新建產(chǎn)線超過半數(shù)都采用該系統(tǒng)。

華大九天的發(fā)展基調(diào)也定位在垂類行業(yè)的Total solution上，例如在數(shù)字SoC設計優(yōu)化的EDA領域，已經(jīng)形成從標準單元庫特征化、工藝資料分析檢驗、規(guī)則檢車時鐘分析、到一站式版圖分析集成逐一擊破的整體能力。

就像前面所述，EDA的發(fā)展并非孤島，華大九天最大的優(yōu)勢便是中國半導體的海量市場支撐。

盡管產(chǎn)業(yè)上下游從當下來看，大多并不具備高端器件的生產(chǎn)及整合能力，但巨大的市場潛力和需求、日趨動蕩的中美關系，加上EDA本身特殊的產(chǎn)業(yè)位置，都催生華大九天繼續(xù)深入產(chǎn)業(yè)上下游，做好整個IC設計的母版和粘合劑。

其次，中國的人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，通信射頻、汽車電子、MEMS（微機電系統(tǒng)）等各領域資本的瘋狂布局，一定會催生以國產(chǎn)化替代為主的EDA浪潮，這個浪潮的核心是通過產(chǎn)業(yè)下游催生產(chǎn)業(yè)上游的國產(chǎn)化改良和產(chǎn)業(yè)流程的再造。

對中低端開發(fā)廠商而言，具備定制化能力提供IP和EDA軟件授權(quán)的企業(yè)大有人在，急需專業(yè)EDA技術支持進行設計整合。

同樣，提供集成器件設計和集成能力的制造商雖為數(shù)眾多，但下游場景從之前的工業(yè)自動化、電子、航空航天等領域，早已滲透到消費級電子產(chǎn)品、通信領域的基站和設備、高性能服務器及計算存儲單元。

一切都在倒逼國內(nèi)EDA設計企業(yè)提供具有中國特色的電路分析服務和設計服務。

除了華大九天，廣立微電子，今年5月申報科創(chuàng)板的芯愿景，還有創(chuàng)業(yè)公司中的藍海微科技、博達微科技、奧卡思微電子等等，也通過器件建模、PDK（Process Design Kit，工藝設計包）驗證、形式驗證等產(chǎn)品，為半導體企業(yè)提供除去主體設計外的集成電路工藝設計包、半導體參數(shù)測試和器件驗證等全流程的服務工具。

05?結(jié)尾：戰(zhàn)事才開始

無論是暫時領先的華大九天，還是即將登陸資本市場的芯愿景或早期公司，想要在本輪市場浪潮中獲得有效機會并趕超巨頭，可能需要具備以下三個條件：

打信息差：產(chǎn)品矩陣模仿國外三大巨頭意義不大，基于中國IC設計市場提供定制化方案，勢必要打三大巨頭在中國半導體生態(tài)中的信息差；

人才為王：充分利用此時半導體市場的集中火爆，用最大的可能性吸收EDA核心人才，重塑人才梯隊，半導體的核心競爭永遠是人才稀缺性；

共建生態(tài)：EDA的發(fā)展絕不是孤立存在，客戶替代意愿只能歸為強制替代而不是市場化行為，EDA本身的工作遠沒有建立一個共榮的生態(tài)重要。

2020年，作為半導體設計之母的EDA，從最初的高深莫測，裹挾著焦慮和民族情緒，終于走到時代的中央。

在全球疫病當前的今天，中國半導體市場伴隨著資本和政策的簇擁，如火如荼。這份火熱既有市場對于沉寂多年的高科技的確定性補償，更多則體現(xiàn)出民族對于攻破半導體枷鎖的信心，甚至信仰：

一個強大的中國，一定要擁有一顆強大的中國芯。

EDA的中場戰(zhàn)事，才剛剛開始。
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